Doppelspulenzündung für Ottomotorenkonzepte mit AGR

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1 Doppelspulenzündung für Ottomotorenkonzepte mit AGR Weniger Emissionen Mehr Leistung Sonderdruck MTZ

2 ENTWICKLUNG DOPPELSPULENZÜNDUNG FÜR OTTOMOTORENKONZEPTE MIT AGR Zukünftige Ottomotoren mit Hochaufl adung haben einen stetig steigenden Zündenergiebedarf. Dieser Trend wird dadurch verstärkt, dass die Abgasrückführung auch beim Ottomotor zunehmend an Bedeutung gewinnt. Mit einer neuen Doppelspulenzündung ermöglicht BorgWarner beim Ottomotor eine signifi kante Verbesserung der AGR-Verträglichkeit. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für einen stabilen Motorbetrieb bei höheren AGR-Raten und in transienten Betriebszuständen. Damit lässt sich der Kraftstoffverbrauch weiter reduzieren. 2

3 AUTOREN GANGHUA RUAN ist Senior Function Development Engineer im Bereich Zündsysteme bei BorgWarner Beru Systems in Ludwigsburg. DEJAN KIENZLE ist Senior Software Development Engineer im Bereich Zündsysteme bei BorgWarner Beru Systems in Ludwigsburg. DAVID ROTH ist Senior Technical Specialist für Ottomotoren in der Konzernvorentwicklung bei BorgWarner in Ithaca (USA). DR.-ING. MICHAEL BECKER ist Director Advanced R&D und Leiter der globalen Konzernvorentwicklung von Pkw-Antriebssystemen bei BorgWarner in Ludwigsburg. Funkenstrom MOTIVATION Das wichtigste Ziel der aktuellen Entwicklung von Ottomotoren ist, neben der im Hinblick auf zukünftige Testzyklen notwendigen Reduzierung der Partikelemission, nach wie vor die Kraftstoffverbrauchseinsparung. Beim Ottomotor bietet sich dazu die gekühlte Abgasrückführung (AGR) an, idealerweise bestehend aus einem Hoch- und einem Niederdruckpfad. Neben dem positiven Effekt der Entdrosselung des Motors hat die gekühlte AGR beim Ottomotor ebenfalls positiven Einfluss auf Klopfverhalten und Emissionen [1]. Um mit AGR verdünnte Gemische sicher zünden zu können, sind verbesserte Zündsysteme notwendig. Aktuell am Markt befindliche Hochenergiezündungen zeigen hier bereits große Vorteile, doch bieten die meisten dieser Systeme nicht den Freiheitsgrad, die tatsächliche Funkendauer variieren zu können. Einziges in Serie befindliches System mit variabler Zünddauer ist die so - Zündung Spule 1 Spule 2 Verlängerte Funkendauer genannte Multi-Spark-Zündung, die durch Nachladen der Zündspule mehrere Zündfunken hintereinander auslösen kann [2]. Die Doppelspulenzündung, kurz (Dual Coil Ignition), setzt als Erweiterung gegenüber der Multi-Spark-Zündung eine zweite Zündspule ein, um einen dauerhaften, nicht abreißenden Funken zu generieren. Damit erzielt die gegenüber der Multi-Spark-Zündung Vorteile in Bezug auf Zündverhalten, Energieverbrauch und Elektrodenverschleiß. PRINZIP DER DOPPELSPULENZÜNDUNG Laden Laden Entladen Entladen Zeit [ms] ❶ Funktionsprinzip der Doppelspulenzündung Konventionelle Zündung Zeit [ms] Funkendauer Doppelspulenzündung Die Doppelspulenzündung besteht im Wesentlichen aus zwei konventionellen, parallel geschalteten Zündspulen. Auf der Primärseite sind beide Spulen miteinander verbunden. Auf der Sekundärseite sind die Spulen durch ein antiparalleles Hochspannungsdiodenpaar voneinander entkoppelt, um gegenseitige Einflüsse der beiden Stromkreise zu vermeiden. Vom gemeinsamen Anschlusspunkt des Diodenpaars wird das Hochspannungskabel zur Zündkerze geführt. Das Grundprinzip der Doppelspulenzündung ist in ❶ gezeigt. Ähnlich der konventionellen Zündung wird die erste Spule aufgrund eines Signals der Motorsteuerung aufgeladen. Die zur Erzeugung der Durchbruchspannung benötigte Energie wird im Magnetkreis der Spule zwischengespeichert. Zum Zündzeitpunkt sorgt diese dann für die benötigte Zündspannung, und der Entladevorgang beginnt. Das Aufladen der zweiten Spule erfolgt nach einem vordefinierten Zeitverzug zur ersten Spule. Damit der Funkenstrom nicht zu Null wird, wird der Funke in den Zeiträumen, in denen eine der beiden Spulen nachgeladen werden muss, jeweils von der anderen mit Energie versorgt. Dieser Vorgang des Ladens und Entladens beider Spulen wiederholt sich solange, bis die vorgegebene Zünddauer erreicht ist. Da beide Spulen einen gemeinsamen Anschluss an die Zündkerze haben, setzt sich der gesamte Funkenstrom aus dem Strom beider Spulen zusammen. So ist im Gegensatz zur konventionellen Zündung die Funkendauer einstellbar und der Funke reißt nie ab. Die Zündenergie ist darüber hinaus nicht nur über die Dauer, sondern auch durch Variation des Primärstroms einstellbar. FUNKTIONSWEISE Um den bedarfsgerechten Funkenstrom der Doppelspulenzündung für jede Betriebsbedingung zuverlässig bereitstellen zu können, gibt es verschiedene Ansätze, zum Beispiel [3]. Der einfachste ist rein zeitgesteuert, 1. Dieser Ansatz hat jedoch einige Nachteile wie einen hohen Applikationsaufwand und ist für den Serieneinsatz nur bedingt geeignet. Um Robustheit, einfache Applizierbarkeit und geringen Verschleiß zu realisieren, basiert die auf einer Ladestromreglung der Zündspulen. Primär- und Sekundärstrom der Zündspulen werden konti- 03I Jahrgang 3

4 ❷ Das Gehäuse der BorgWarner mit den beiden Spulen Funktionsstrategie besteht darin, dass die gesamte Steuerung auf einer Stromüberwachung basiert, außer während der Hauptladephase der ersten Spule. Damit wird unabhängig von Spannungsschwankungen und ungleichen Stromanstiegsbeziehungsweise Stromabfallgeschwindigkeiten der Zündspulen ein kontinuierlicher und stabiler Funke gewährleistet. Darüber hinaus bietet das System die Möglichkeit der Nachladezeit- und Zündenergiesteuerung. Durch Reduktion des Soll-Primärstroms in der Nachladephase können damit so wohl der Energieverbrauch reduziert als auch die Lebensdauer der Zündkerze optimiert werden. Das Gesamtsystem der besteht aus einer zentralen Steuereinheit, einer Spannungsversorgung und bis zu sechs kompakten Gehäusen mit zwei Spulen, ❷. Neben den relevanten Basisfunktionen lag das Augenmerk bei der Entwicklung der auf einer einfachen Applikation an bestehende Motoren mit konventionellem Zündsystem. Dazu wurde die Zündung so ausgelegt, dass der übliche Zündimpuls heutiger Motorsteuerungen zur An steuerung genügt. Sollen weitere Parameter wie Zünddauer oder Energieniveau variiert werden, ist dies über einen CAN- Bus möglich, der die zusätzlichen Daten vom Motorsteuergerät zur Steuereinheit der und umgekehrt überträgt. Externe AGR-Rate [%] nuierlich überwacht. Die Hauptladephase der ersten Spule erfolgt, analog zur konventionellen Zündung, durch einen von der Motorsteuerung vorgegebenen Zündimpuls. Der Ladebeginn der zweiten Spule wiederum ist durch einen einmalig zu applizierenden Zeitverzug relativ zur Hauptladephase definiert. Die Spulen werden nun bis zum Erreichen des vorgegebenen maximalen Primärstroms geladen und anschließend entsprechend entladen. Die Entladephase der jeweiligen Spule dauert an, bis der Sekundärstrom einen definierten Schwellwert unterschreitet. Beide Spulen werden auf diese Weise abwechselnd auf- und wieder entladen, bis die vorgegebene Zünddauer erreicht ist. Der wesentliche Vorteil dieser : 6 bar Drehzahl: 2000/min Motor 1: V H = 1,4 l : 6 bar Drehzahl: 4000/min Motor 2: V H = 2,0 l : 2 bar Drehzahl: 2000/min : 8 bar Drehzahl: 2000/min ❸ Vergleich der erzielbaren AGR-Raten für Transistorzündung () und Doppelspulenzündung () in Teillastbetriebspunkten EINFLUSS AUF DIE AGR-TOLERANZ Um den Einfluss der auf das Brennverhalten des Motors zu erfassen, wurden an verschiedenen Versuchsträgern Vari a tionen der AGR-Rate in verbrauchsrele vanten Betriebspunkten der Teillast durchgeführt. In diesen Teillastbetriebspunkten ist eine verbesserte AGR-Toleranz des Brennverfahrens aufgrund des erzielbaren Entdrosselungseffekts direkt mit einem reduzierten Kraftstoffverbrauch gekoppelt. In den untersuchten Betriebspunkten wurden Zündenergie und -dauer variiert. Die Untersuchungen zeigen, dass das über den Primärstrom einstellbare Energieniveau einen geringeren Effekt auf das Motorverhalten hat als die Verlängerung der Funkendauer. Im Allgemeinen war es ausreichend, die Zündenergie der ersten Entladung auf einen Wert einzustellen, der mit der Standardzündung vergleichbar ist. Eine je nach Betriebspunkt um 0,5 bis 1,5 ms verlängerte Funkendauer brachte dann bereits einen signifikanten Vorteil bei der AGR-Toleranz. Die für einen solchen positiven Effekt einzubringende Zündenergie lag typischerweise in einem Bereich zwischen 130 und 220 mj. Die für zwei Versuchsträger verschiedener Hersteller erzielbaren Verbesserungen der AGR-Toleranz in verschiedenen Betriebspunkten sind in ❸ dargestellt. Beide Motoren sind aktuelle aufgeladene Ottomotoren mit Direkteinspritzung, die mit einem AGR-System nachgerüstet wurden. Diese Motoren wurden exemplarisch gewählt, da sie typische, stückzahlrelevante Applikationen für den europäischen beziehungsweise nordamerikanischen Markt darstellen. Die ge zeigten Betriebspunkte sind für aktuelle Emissionstests in verschiedenen Märkten signifikant. Es zeigt sich, dass durch Einsatz der ohne weitere Optimierung für beide Motoren eine Verbesserung in der AGR-Toleranz 03I Jahrgang 4

5 Versuch 2 Versuch 1 Versuch 3 Versuch 4 Zylinder 1 Zylinder 2 Zylinder 3 Zylinder 4 Zündkerzentyp Versuch 1 BW Beru 14KR-8MPW Platin 55 mj 0 ms 4 Versuch 2 BW Beru 14KR-8MPW Platin 360 mj 2,3 ms Versuch 3 BW Beru 14KR-8MIPUW Iridium 360 CONFIDENTIAL mj INFORMATION 2,3 ms Versuch 4 BW Beru 14KR-8MIPUW Iridium Iridium-Zündkerzen eines Wettbewerbers 170 mj 1,1 ms zwischen 4 und 6 % im Vergleich zur Standardzündung er reicht wurde. Dies resultierte in einem gemessenen Verbrauchsvorteil zwischen 0,5 und 6,5 %, der im Wesentlichen ab hängig ist vom Lastpunkt und der über die AGR erzielbaren Entdrosselung des Motors. Darüber hinaus sind mit der durch die verbesserte AGR-Verträglichkeit Vorteile im transienten Verhalten (durch einen höheren Freiheitsgrad in der AGR- Regelung) sowie eine verbesserte Leerlaufstabilität zu erwarten. Hier nicht ausgeführt sind Untersuchungen an Motoren, die aufgrund eines nicht optimalen La - dungswechsels bereits ohne externe AGR DANKE Die Autoren bedanken sich bei allen an der Entwicklung der beteiligten Personen, insbesondere den Prüfstandsteams in Ludwigsburg (Deutschland) und Ithaca (USA). Mittlere Zündenergie ❹ Kerzenabbrand nach 50 h Dauerlauftest, Variation von Zündkerzentyp und Zündenergie hohe zyklische Schwankungen aufweisen. Hier konnte das Laufverhalten durch den Einsatz der ohne weitere Maßnahmen signifikant verbessert werden, sodass Effizienz und Laufruhe erhöht wurden. DAUERHALTBARKEIT UND KERZENABBRAND Verlängerung Funkendauer Um den Einfluss von Zünddauer und eingebrachter Energie der auf den Elektrodenabbrand zu quantifizieren, wurden am bereits erwähnten 2,0-l-Motor Dauerlaufuntersuchungen durchgeführt. Dabei handelte es sich um 50 h dauernde Zeitraffertests bei hoher Last und verschiedenen Zündenergien, die Aufschluss über das Verschleißverhalten im Serieneinsatz geben. Zum Einsatz kamen sowohl Platinals auch Iridium-Zündkerzen aus eigener Produktion sowie zur Erweiterung der Datenbasis Iridium-Zündkerzen eines Wettbewerbers. Alle eingesetzten Kerzen waren mit einem Wärmewert von 8 spezifiziert (gemäß Beru- und Bosch-Definition) und hatten den serienmäßigen Elektrodenabstand von 0,9 mm. Als Referenz dienten die Serienzündspulen und -kerzen des untersuchten Motors. Diese Kerzen waren platinlegiert, die Spulen wurden im Betrieb mit einer mittleren Sekundärenergie von 55 mj gemessen. Wie ❹ zu entnehmen ist, fand sich nach dem Dauerlauf an den serienmäßigen Zündkerzen erwartungsgemäß kein sichtbarer Verschleiß. Im zweiten Schritt wurden die Serienzündspulen durch das -System er - setzt und zwei Werte für die Zündenergie untersucht: ein für den Serieneinsatz realistischer Wert von 170 mj mit einer gegenüber der Basiszündung um 1,1 ms verlängerten Funkendauer sowie ein Wert von 360 mj (entspricht 2,3 ms zusätzliche Funkendauer). Bei letzterer Einstellung ergab sich durch die im Vergleich zur Referenzzündung ungefähr sechs Mal höhere Zündenergie ein starker Temperatureranstieg an den Kerzenelektroden. Beim Einsatz der Platin-Zündkerzen führte dies zu einem Aufschmelzen der Legierung an den Elektroden, sodass sich im Abkühlprozess nach erfolgter Zündung durch die Oberflächenspannung kleine Platinperlen auf den Mittelelektroden formten. Das Ergebnis ist in 4 als Versuch 2 gekennzeichnet. Diese Variante hatte den Dauerlauftest somit nicht be - standen. Die Wiederholung dieses Versuchs mit iridiumlegierten Zündkerzen, Versuch 3, machte deutlich, dass deren höhere Temperaturbeständigkeit die Verschleißspuren an der Mittelelektrode der Zündkerze wesentlich verminderte. Be - reits dieses Ergebnis ist im Hinblick auf einen Serieneinsatz vielversprechend. Bei Halbierung der Zündenergie auf 170 mj, Versuch 4, ließ sich ein Verschleiß über eine Sichtprüfung, ähnlich wie bei der Serienzündung, nicht mehr nachweisen. Dies galt für die eigenen Zündkerzen sowie die Kerzen des Wettbewerbers. Die Dauerlaufuntersuchungen lassen keine abschließende Aussage über die tatsächliche Lebensdauer der Zündkerzen im Serieneinsatz zu. Es konnte jedoch ge - zeigt werden, dass bei einer geeigneten Wahl der Zündenergie, die zur Verbrauchsminimierung ohnehin so niedrig wie möglich gewählt werden sollte, zumindest mit iridiumlegierten Zündkerzen keine signifikante Verkürzung der Lebensdauer im Serieneinsatz zu erwarten ist. DOWNLOAD DES BEITRAGS READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: 03I Jahrgang 5

6 ZUSAMMENFASSUNG Die BorgWarner Doppelspulenzündung ermöglicht die zuverlässige Entflammung von mit AGR verdünnten Gemischen. Darüber hinaus bietet sie die Möglichkeit, das Laufverhalten von Motoren zu verbessern, die aufgrund eines nicht optimalen La dungswechsels hohe zyklische Schwankungen aufweisen. Umfangreiche Untersuchungen haben die Robustheit der Zündung und die Vorteile am Motor bewiesen, sodass sie nun für eine Serienapplikation zur Verfügung steht. LITERATURHINWEISE [1] Roth, D.; Zhang, L.; Sauerstein, R.; Becker, M.: Neue Aspekte bei der Applikation eines Hybrid- AGR-Systems für turboaufgeladene DI-Otto Motoren. 18. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2009 [2] Lückert, P.; Doll, G.; Merdes, N.; Waltner, A.; Eder, T.: Die Schwerpunkte der Otto-Motoren- Entwicklung von Mercedes-Benz. 19. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2010 [3] Alger, T.; Gingrich, J.; Mangold, B.; Roberts, C.: A Continuous Discharge Ignition System for EGR Limit Extension in SI Engines. SAE Technical Paper Mit uns wächst die Fahrfreude. Um viele Kilometer. Weniger Kraftstoffverbrauch Mehr Reichweite Mehr Leistung und Fahrkomfort bei weniger Verbrauch und Abgasemissionen: BorgWarner macht s möglich. Als führender Automobilzulieferer im Antriebsbereich entwickeln wir Schlüsseltechnologien für die Fahrzeuge von morgen. So tragen wir zum Beispiel maßgeblich dazu bei, dass Benzinmotoren durch Downsizing immer weniger Kraftstoff benötigen und dabei mit dynamischen Fahrleistungen begeistern. Erfahren Sie mehr über die innovativen Antriebslösungen von BorgWarner. borgwarner.com feel good about driving Printed in Germany Bestell-Nr

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